WO2012110267A1 - Propellerblatt sowie damit versehenes triebwerk für ein luftfahrzeug - Google Patents

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WO2012110267A1
WO2012110267A1 PCT/EP2012/050443 EP2012050443W WO2012110267A1 WO 2012110267 A1 WO2012110267 A1 WO 2012110267A1 EP 2012050443 W EP2012050443 W EP 2012050443W WO 2012110267 A1 WO2012110267 A1 WO 2012110267A1
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PCT/EP2012/050443
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Michael Bauer
Reinhard Pongratz
Daniel REDMANN
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Eads Deutschland Gmbh
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a propeller blade for a propeller engine, which has at least two counter-rotating, successively arranged propeller, wherein the propeller blade has a front to be arranged in the direction of rotation leading edge region and a rear direction to be arranged in the direction of rotation rear edge region. Further, the invention relates to an aircraft engine having at least one forward propeller to be arranged in the forward direction with front propeller blades and at least one rear propeller with rear propeller blades to be arranged in the direction of flight behind the front propeller, the front and rear propellers being designed for counterrotating rotation.
  • the invention relates to propeller blades for such engines, referred to as CROR (Counter-Rotating Open Rotor) propulsion, and to such a CROR engine.
  • CROR Counter-Rotating Open Rotor
  • two open rotors are driven in opposite directions about an aligned in the direction of the rotor axis.
  • the invention further relates to turboprop engines with at least two successively arranged propellers.
  • Turboprop engines with one or more propellers have better energy efficiency than turbofan engines having a fan completely housed within an engine shroud.
  • turbofan engines which, on the one hand, produce relatively high fuel consumption and, on the other, relatively large polluting emissions in the atmosphere.
  • Equip engines Particularly high efficiencies achieve turboprop engines in CROR configuration, as described above.
  • a disadvantage of propeller engines is their increased or perceived as unpleasant noise. Increased efforts are therefore being made at present to make the noise level of such propeller engines and, in particular, the most advantageous turboprop CROR engines less noisy.
  • One measure is, for example, to arrange these engines at the rear in thrust arrangement and thus as far away from the passenger cabin as possible. Such an arrangement is possible and attractive for counter-rotating propellers, inter alia because of the smaller thrust diameter which can be formed with the same thrust.
  • the aerodynamic situation for a CROR configuration is very complex. Particularly in the thrust arrangement, the front propeller operates in the wake of the engine mast, resulting in a very irregular intake. Flow upwind leads to the propeller blades. The second propeller rotates in the highly mixed vortex of the forward propeller and the engine mast wake-up flow. This leads to an increased noise generation of additional tonal components of higher levels compared to a single propeller.
  • the object of the invention is to reduce such interaction sounds and broadband noise and so contribute to an acceptable noise characteristics of such promising engine configurations, which are preferred because of their high energy savings options.
  • the invention provides a propeller blade for a propeller engine with at least two counter-rotating propellers, wherein the propeller blade has a front edge region to be arranged in front in the direction of rotation and a trailing edge region to be arranged in the rear in the direction of rotation, characterized by at least one of the following measures: a) that the entire surface or at least one surface area of the propeller blade has an acoustically effective surface compressibility and / or a sound absorber; and / or b) that the trailing edge region has a toothing to reduce turbulence behind the propeller blade provided with the propeller.
  • two measures a) and b) are proposed, which may alternatively or cumulatively be provided on the propeller blade.
  • measure a) at least one surface area or even the entire surface of the propeller blade is provided with a surface which is acoustically effectively compressible.
  • acoustically effective compressible or acoustically effective elastic surface structure pressure amplitudes can be damped and reduced with changing pressure loads on the propeller surface. This combats the formation of sound by such pressure peaks directly at the sound source.
  • Sound absorbers are normally used to dampen or absorb existing sound waves, thus avoiding sound propagation. They are used, for example, in the area of sound walls or in rooms in order to dampen the sound waves occurring there from other sound sources. Sound absorbers are subdivided according to their mode of operation into the following groups:
  • the sound energy is converted into heat by friction of the air molecules.
  • the resonance absorbers belong to the sound absorbers and consist essentially of a vibrating mass and a spring.
  • the incident sound energy is converted into kinetic energy of the mass.
  • a cavity is provided, the enclosed medium (eg air) acts as a spring.
  • the boundary separating the cavity from the surface can serve as well as a medium located in a connection opening (eg air).
  • the sound absorbers are not used to attenuate existing sound waves, but rather for Damping of surface pressure loads, so as to avoid the generation of sound waves by these pressure loads directly at the sound source.
  • a sound absorber is provided whose nominal absorption frequency range is matched to the possible speed range of the propeller.
  • An acoustically effective surface compressibility to be provided according to measure a) can preferably be created essentially by the following alternative or cumulative measures a1) and / or a2) and / or a2).
  • a porous surface is provided for providing the surface compressibility. Pressure changes occurring on the surface are absorbed by the pore openings, where in particular air and thus compressible material is located.
  • a pressure compensation device is provided for compensating pressure variations occurring on the surface or on the surface region.
  • a sound absorber is generally provided.
  • the surface is acoustically soft;
  • the pressure compensation device has at least one inner cavity in the interior of the propeller blade, which is connected to the propeller blade surface in a pressure-transmitting and / or compensating manner.
  • This compound can be done for example via the pore openings of measure a1); but it would alternatively or additionally also possible that the propeller blade is partially formed so elastic that parts of the surface can move evasively with pressure changes in the cavity.
  • splits provided membrane be formed, which bulge in pressure fluctuations inward to the cavity or out to the surface.
  • the mechanical stiffness of the propeller blade surface is kept as high as possible in order to maintain the blade profile of the propeller and thus not impair the performance of the propeller.
  • the then only acoustically effective surface compressibility is e.g. by distributed pores or distributed regions of lower stiffness, e.g. Membrane or the like, while the remaining majority of the propeller blade surface remains stiff.
  • the inner cavity may be formed differently, for example, it could be formed a single elongated cavity along the leading edge region. But it can also be provided a plurality of internal cavities for pressure compensation. These cavities may be formed corresponding to each other so that they have the same aerodynamic properties, or they may have aerodynamically different properties depending on the adaptation to the possible pressure fluctuations occurring at different surface regions of the propeller blade and / or be differently formed or distributed. It is also possible that a plurality of cavities are in fluid communication with each other. Cavities could also be used to set resonance frequencies where pressure fluctuations are particularly effectively damped. The resonance frequencies could be adjusted depending on the operating conditions of the propeller (especially speed).
  • the pore openings can be provided that the pore openings are the same or vary in size, are formed distributed over one of the edge regions, in particular the leading edge region over the Length of the propeller blade are distributed, and / or distributed over the width of the propeller blade.
  • a leading edge region is provided with the acoustically effective surface compressibility, since in this leading edge region the pressure fluctuations can initially occur.
  • the entire propeller blade surface is formed with appropriate soundproofing measures.
  • the abovementioned measure b) is of particular interest for the rear edge of propeller blades of the front-mounted propeller. By providing gears can be vortex influence behind the front propeller, in particular reduce. This allows the vortex sweep of the front propeller to be manipulated to influence and reduce the tonal components through the rear propeller rotating in this wake.
  • an aircraft engine having at least one front forward propeller to be arranged in the forward direction with front propeller blades and at least one rear propeller rear propeller blades rearwardly of the front propeller, the front and rear propellers being counter-rotating Rotation are formed and wherein at least one of the propeller blades of one of the two propellers with one of the above measure a) and / or b) is provided for noise reduction.
  • the propeller blades of the front propeller are provided with the toothing according to measure b).
  • the measure a) with the acoustically effective surface compressibility is preferred the propeller blades of the front propeller, the propeller blades of the rear propeller or all propeller blades.
  • the acoustically effective effective compressible surfaces may be formed differently on the front propeller blades and the rear propeller blades.
  • an engine having at least one forward propeller front propeller to be arranged forwardly in flight with front propeller blades and at least one rear propeller rear propeller blades rearward of the front propeller, the front and rear propellers being configured for counterrotating rotation; wherein at least one aerodynamic parameter of propeller blades of at least one of the propellers is controlled to be periodically variable in response to the relative rotation and / or the relative rotational angular position of the front and rear propellers.
  • Such an engine is preferably provided with at least one propeller blade according to one of claims 1 to 7.
  • the at least one aerodynamic parameter is preferably a setting angle or a twist angle of the propeller blades.
  • An angle of rotation can be changed, for example, electromechanically, by a hydraulic control, on the propeller blade root, where the propeller is articulated on a hub, and / or controlled in a central region of the propeller blade.
  • Propeller blades of the front propeller, the rear propeller or both the front and the rear propeller can be controlled accordingly.
  • the noise of CROR engines is extremely annoying, which is mainly caused by propeller interaction sounds.
  • the invention also has advantages in reducing internal noise and thus improves passenger comfort.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a rear area of an aircraft with a CROR engine according to an embodiment of the invention; a schematic sectional view through a propeller blade of the propeller of the engine of Fig. 1; an enlarged partial view of Figure 2 with an enlarged leading edge region of the propeller blade.
  • a graph showing the pressure on a propeller blade surface over time in a conventional propeller blade and a propeller blade according to an embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a schematic sectional illustration of a wing profile representing a rear propeller blade with five partial representations, which show different steps in a further concept for reducing the noise on propeller blades of an engine according to FIG. 1 and FIG. 6
  • Fig. 7 is another schematic front view of an engine with two successively rotating counter-rotating propellers, which further illustrates the concept of Fig. 6.
  • FIG. 1 shows an engine 10 on an aircraft 12 using the example of an aircraft 14.
  • the engine 10 is provided as a turboprop engine 20 with a Nacelle 22 (engine housing) accommodated, not shown gas turbine and a plurality of open propellers 24, 26.
  • a turboprop engine 20 with a Nacelle 22 (engine housing) accommodated, not shown gas turbine and a plurality of open propellers 24, 26.
  • the propellers 24, 26 are arranged one after the other about the same axis of rotation.
  • the axis of rotation is oriented substantially in the travel direction 28 of the aircraft 14.
  • the front propeller 24 and the rear propeller 26 are driven in opposite directions by the gas turbine.
  • Propeller engines with multiple counter-rotating open propellers are also referred to as CROR engines 30.
  • the propellers 24, 26 are located with respect to the cruise direction 28 seen at the rear of the engine 10 and are designed as thrust propellers.
  • the front propeller 24 has a plurality of front propeller blades 32.
  • the rear propeller 26 has a plurality of rear propeller blades 34.
  • the front propeller blades 32 rotate in flight in the wake of the engine mast 8. This causes the front propeller blades 32 to be pressurized differently depending on the angular position of rotation.
  • the front propeller 24 produces a swirling flow that mixes with the wake flow of the engine mast 18.
  • the rear propeller blades 34 rotate.
  • 10 different propeller blade concepts for achieving a low-noise CROR-powered aircraft 12 are provided in the engine shown here, which are explained in more detail below.
  • At least a portion of the surface of propeller blades 32, 34 with an acoustically effective surface compressibility. At least a portion of the surface should be acoustically effectively softer.
  • the propeller blade 32, 34 has a propeller blade body 36 with a leading edge region 38 and a trailing edge region 40.
  • acoustically effective surface compressibility is provided in the leading edge region 38 by providing a porous propeller blade surface 42 and / or by pressure compensation means 44 for reducing acoustically effective surface pressure load variations.
  • the sound absorber 45 can be provided as a porous absorber, as a resonance absorber with cavities (Helmholtz resonator) or as a combination of the two absorber types. In the example of FIGS. 2 and 3, a combination porous surface acoustic absorber with cavity is provided.
  • FIG. 3 shows an enlarged detailed illustration of the leading edge region 38.
  • the pressure compensation device 44 or the sound absorber 45 has an inner cavity 46 in the interior of the propeller blade body 36. This inner cavity 46 is connected to the surface of the leading edge portion 38 to transmit pressure or pressure equalizing.
  • the porous propeller blade surface 42 has a plurality of pore openings 48 distributed over the propeller blade surface extending into the interior of the propeller blade body 36 from the propeller blade surface 42. For example, the pore openings 48 open into the cavity 46.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate an example of a porous propeller blade surface 42 with a detail of capillary veins 50 distributed over the region of the leading edge 42 of the propeller blade 32, 34 to form the pore openings 48. Further, the cavity 46 is provided for effecting a pressure compensation effect.
  • FIG. 4 illustrates a graph of the pressure p on the propeller blade surface over time t.
  • the solid line 54 represents the curve for a continuous stiff blade surface of a conventional propeller blade, while the dashed line 56 represents the curve for a porous blade surface.
  • FIG. 4 illustrates the principle of fluctuating pressure fluctuations on the propeller blade 32, 34 caused by the interaction between the front propeller 24 and the rear propeller 26.
  • the solid line 54 shows the principle of the pressure fluctuations in the time domain, while the dashed line 56 the pressure fluctuations for the same propeller blade 32, 34 and the same operating conditions (speed, etc.), but in the presence of a porous surface and / or at Use of an adaptive angle of attack / Verwarwinkel- technology, as will be explained in more detail below represents.
  • the reduction in pressure amplitudes pi and p 2 directly reduces the noise emission from each propeller blade 32, 34, which noise emission is directly associated with the propeller blade pressure fluctuations.
  • the reduction shown in the acoustically effective surface pressure load variations is in the measures outlined in Figures 2 and 3 by providing an acoustically effective surface compressibility due to Surface porosity and / or achieved due to pressure compensation. This leads to an acoustic impedance and an acoustic insulation, combined with specific scattering effects of the acoustic energy.
  • the fluctuating pressure fluctuations p- ⁇ on a conventional propeller blade results by Fourier transformation in the frequency domain, the associated noise pressure level L Pi i.
  • the pressure fluctuation occurring here is due to the porosity effects nzw. Insulation effects smaller.
  • the associated switching pressure level L p 2 is also lower than the switching pressure level for the propeller blade with the hard surface.
  • the propeller blade configuration described achieves broadband and tonal noise reduction by reducing the stiffness or strength of the aeroacoustic source.
  • the passive noise reduction method described and shown in FIGS. 2 and 3 is applicable to propeller blades 32, 34 of the aft propeller 26 and / or the forward propeller 24 of the CROR configuration.
  • the configuration of the cavity 46 shown in Figs. 2 and 3 is only a principal example. There may be two or more integrated cavities 46 that correspond aerodynamically or not.
  • the porosity ie in particular the size of the pore openings 48, may vary across the propeller blade surface for optimization purposes.
  • the density of the arrangement of the pore openings 48 may vary across the propeller blade surface. It can, as shown in FIGS. 2 and 3, only a portion of the propeller blade surface be formed porous, or it may be the entire surface area of the propeller blade 32, 34 be formed porous.
  • the cores 50 can not only be distributed over the span of the propeller blade 32, 34, but also over the entire propeller blade length. In Fig.
  • FIG. Fig. 5 shows a schematic diagram of a simple four-bladed propeller 58 with four propeller blades 60, with respect to the direction of rotation 62 seen rear edge 64 are provided with teeth 66.
  • the number, position and shape of the individual teeth 68 depend on the geometry of the propeller 58 and its operating conditions.
  • This second concept is also realized in the embodiment of a CROR engine 30 shown in FIG. According to FIG. 1, the front propeller blades 32 are provided with the toothings 66 at their trailing edge regions 40.
  • Fig. 6 shows in various representations a) to e) schematically the principle of an adaptive angle of rotation / angle of attack.
  • the airfoil 70 shown in the individual partial views a) to e) represents the rear propeller blade 34 of the trailing rear propeller 26.
  • the partial representation b) represents the situation later after a certain time interval.
  • a disturbed air inflow 74 occurs; the direction of the inflowing flow is disturbed due to the rotation of the front propeller 24. This leads to a reduction of the propeller power and to the generation of interaction noise.
  • the attack angle for the wing profile 70 is changed in the partial view c) of FIG.
  • the change in the attack angle is achieved by an adaptive pitch control or adaptive twist angle control for the respective rear propeller blades 34.
  • the direction of the inflowing flow is again optimal at c).
  • the partial representation d) shows the situation a moment later than in the partial representation c).
  • the propellers 24, 26 have turned further in opposite directions, and the inflowing flow again assumes the quasi-undisturbed state; ie there is again the undisturbed air inflow 72.
  • the airfoil 70 is therefore according to the illustration e), which corresponds to the representation of a), again set in the original position for this optimally flowing undisturbed air inflow 72.
  • This cycle a) to e) is repeated as the propellers 24, 26 rotate.
  • the time between representations a) to e) is the period of one cycle of the angle of attack / twist angle change.
  • Fig. 7 is a simplified illustration for explaining how this period is set.
  • Fig. 7 shows a highly simplified representation of two counter-rotating propellers 24, 26 seen from the front in Drehachsraum.
  • the front propeller 24 has a rotational frequency ⁇ - ⁇
  • the rear propeller 26 has a rotational frequency ⁇ 2 .
  • ⁇ represents the rotation angle of the propeller 24 and the propeller 26 with respect to the fixed coordinate system.
  • ⁇ of the propeller blade ⁇ in the propeller 26 is equal to the rotational angle ⁇ of the propeller blade v in the propeller 26, interaction occurs.
  • the time at which an interaction occurs - and thus the time at which an adaptation of the Anstel! Angle / angle of rotation is to be made - depends essentially only on the number of propeller blades 32, 24 of each rotor and its rotational speed rpm.
  • An adaptive propeller blade twist urges the propeller blade 34 of the aft propeller 26 to an aerodynamically favorable angle at which the impingement of the swirling of the forward propeller 24 on the propeller blades 34 of the propeller blade 34 rear propeller 26 causes a minimal aerodynamic interaction. After the rear propeller blade 34 has passed the swirl, the twist angle is returned to its normal operating value. The corresponding cycle is shown in FIG.
  • the angle of rotation can be changed electromechanically or by a hydraulic system. This can be done both at the root of the propeller blade and in a middle propeller blade section.
  • Fig. 1 shows a Anstellwinkel Anlagen 76 for the rear propeller blades 34. This Anstellwinkelein ein 76 can be used to adjust the adjustment angle of FIG. 6. This actually means that the propeller blade pitch is changed for the time that the propeller blade 34 passes through the vortex.
  • Anstellwinkeleinwolfen for setting the propeller blade angle of attack are basically already known and will not be explained here. Different is the timing of these angles of attack, which are now e.g. be adjusted periodically according to the occurring disturbances.
  • a flexible propeller blade 34 is used to alter the real propeller blade twist.
  • the time interval for changing the angle of attack / angle of rotation is given by the times at which a front propeller blade 32 of the front propeller 24 the same rotation angle we a rear propeller blade 34 of the rear propeller 26 has.
  • the angle of attack / twist angle may alternatively be adjusted for the front propeller 24, causing reduced turbulence and thus reduced interaction with the rear propeller blades 34.
  • the adjustment of the angle of attack / angle of rotation can also be applied to both the front rotor and the rear rotor. This combines the two previously described effects for the front and rear rotors, with the overall performance of the CROR engine 30 remaining virtually unchanged.

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Abstract

Zur Reduzierung störender Geräusche bei einem CROR-Triebwerk (30) wird ein Propellerblatt (32, 34) für ein Propeller-Triebwerk (10, 20, 30) mit wenigstens zwei gegenläufig drehenden Propellern (24, 26) vorgeschlagen, wobei das Propellerblatt (32, 34) einen in Drehrichtung (62) vorne anzuordnenden Vorderkantenbereich (38) und einen in Drehrichtung (62) hinten anzuordnenden Hinterkantenbereich (40) hat, das durch wenigstens eine der folgenden Maßnahmen gekennzeichnet ist: a) dass die gesamte Oberfläche oder wenigstens ein Oberflächenbereich des Propellerblatts (32, 34) eine akustisch effektive Oberflächenkompressibilität und/oder einen Schallabsorber (45) aufweist; und/oder b) dass der Hinterkantenbereich (40) eine Verzahnung (66) zur Verringerung von Verwirbelungen hinter dem mit dem Propellerblatt (32) versehenen Propeller (24) aufweist.

Description

Propellerblatt sowie damit versehenes Triebwerk für ein Luftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Propellerblatt für ein Propeller-Triebwerk, welches wenigstens zwei gegenläufig drehende, hintereinander angeordnete Propeller aufweist, wobei das Propellerblatt einen in Drehrichtung vorne anzuordnenden Vor- derkantenbereich und einen in Drehrichtung hinten anzuordnenden Hinterkantenbereich hat. Weiter betrifft die Erfindung ein Triebwerk für ein Luftfahrzeug mit wenigstens einem in Flugrichtung vorne anzuordnenden vorderen Propeller mit vorderen Propellerblättern und wenigstens einem in Flugrichtung hinter dem vorderen Propeller anzuordnenden hinteren Propeller mit hinteren Propellerblättern, wobei der vordere und der hintere Propeller zur gegenläufigen Drehung ausgebildet sind.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Propellerblätter für solche Triebwerke, die als CROR-(Counter-Rotating Open Rotor-)Antrieb bezeichnet werden, sowie auf ein solches CROR-Triebwerk. Bei derartigen Triebwerken werden zwei offene Rotoren gegenläufig um eine in Flugrichtung ausgerichtete Rotorachse angetrieben.
Die Erfindung bezieht sich weiter bevorzugt auf Turboprop-Triebwerke mit wenigstens zwei hintereinander angeordneten Propellern. Turboprop-Triebwerke mit ei- nem oder mehreren Propellern haben einen besseren energetischen Wirkungsgrad als Turbofan-Triebwerke, die einen vollständig innerhalb einer Triebwerks- ummantelung aufgenommenen Fan aufweisen. Jedoch werden die meisten der derzeit bestehenden Luftfahrzeuge durch solche Turbofan-Triebwerke angetrieben, die einerseits einen relativ hohen Treibstoffverbrauch und andererseits relativ große umweltschädliche Emissionen in der Atmosphäre verursachen. Zum Zwecke der Energieeinsparung und der Verringerung der Umweltverschmutzung wäre es daher vorteilhafter, Luftfahrzeuge mit Turboprop-T riebwerken als mit Turbofan- Triebwerken auszustatten. Besonders große Wirkungsgrade erzielen Turboprop- Triebwerke in CROR-Konfiguration, wie sie oben beschrieben wird.
Beispiele für CROR-Triebwerke und Propellerblätter dafür finden sich in der US 4,883,240 A, sowie der WO 2010/128240 A2.
Neuere Entwicklungen zeigen, dass mit einer derartigen Art von Triebwerken gegenüber den nun weitläufig verbreiteten Flugzeugtriebwerken Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent erzielt werden können.
Ein Nachteil der Propellertriebwerke ist deren erhöhte oder als unangenehmer empfundene Lärmentwicklung. Es werden daher zurzeit erhöhte Anstrengungen unternommen, den Lärmpegel solcher Propellertriebwerke und insbesondere der als am meisten vorteilhaft empfundenen Turboprop-CROR-Triebwerke geräusch- ärmer zu gestalten. Eine Maßnahme ist beispielsweise, diese Triebwerke am Heck in Schubanordnung und somit möglichst weit von der Passagierkabine entfernt anzuordnen. Eine solche Anordnung ist bei gegenläufig rotierenden Propellern unter anderem aufgrund der bei gleichem Schub geringer ausbildbaren Propellerdurchmesser möglich und attraktiv.
Maßnahmen zur Geräuschreduzierung von derartigen Triebwerken werden unter anderem in der US 2010/0264264 A1 , der WO 2010/086338 A2, der WO
2010/093531 A1 beschrieben und erläutert. Eine Einrichtung zur Einstellung von Anstellwinkeln der Propellerblätter derartiger Maschinen wird in der WO
2010/097440 A1 beschrieben.
Die aerodynamische Situation für eine CROR-Konfiguration ist sehr komplex. Insbesondere bei der Schubanordnung arbeitet der vordere Propeller in der Nachlaufströmung des Triebwerkmastes, was zu einem sehr unregelmäßigen einkom- menden Strömungsaufwind auf die Propellerblätter führt. Der zweite Propeller dreht sich in dem hoch vermischten Strömungswirbel des vorderen Propellers und der Triebwerksmast-Nachlaufströmung. Dies führt zu einer im Vergleich zu einem einzelnen Propeller erhöhten Geräuscherzeugung von zusätzlichen tonalen Kom- ponenten höherer Niveaus.
Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Wechselwirkungstöne und breitbandigen Lärm zu reduzieren und so zu einer akzeptablen Geräuschcharakteristik solcher zukunftsträchtiger Triebwerkskonfigurationen beizutragen, die wegen ihrer hohen Energieeinsparungsmöglichkeiten bevorzugt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Propellerblatt nach Anspruch 1 sowie ein damit versehbares Triebwerk nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft ein Propellerblatt für ein Propeller-Triebwerk mit wenigstens zwei gegenläufig drehenden Propellern, wobei das Propellerblatt einen in Drehrichtung vorne anzuordnenden Vorderkantenbereich und einen in Drehrichtung hinten anzuordnenden Hinterkantenbereich hat, gekennzeichnet durch wenigstens eine der folgenden Maßnahmen: a) dass die gesamte Oberfläche oder wenigstens ein Oberflächenbereich des Propellerblatts eine akustisch effektive Oberflächenkompressibilität und/oder einen Schallabsorber aufweist; und/oder b) dass der Hinterkantenbereich eine Verzahnung zur Verringerung von Verwirbelungen hinter dem mit dem Propellerblatt versehenen Propeller aufweist.
Demnach sind zwei Maßnahmen a) und b) vorgeschlagen, die alternativ oder kumuliert an dem Propellerblatt vorgesehen sein können. Gemäß der Maßnahme a) wird wenigstens ein Oberflächenbereich oder auch die gesamte Oberfläche des Propellerblattes mit einer Oberfläche versehen, die akustisch effektiv kompressibel ist. Mit einer akustisch wirksam kompressiblen oder akustisch wirksam elastischen Oberflächenstruktur lassen sich Druckamplituden bei sich ändernden Druckbelastungen auf die Propelleroberfläche dämpfen und reduzieren. Dadurch wird die Enstehung von Schall durch solche Druckspitzen direkt an der Schallquelle bekämpft.
Eine Reduktion von Druckspitzen an der Propelleroberfläche wird insbesondere durch das Vorsehen eines Schallabsorbers erreicht. Schallabsorber werden normalerweise dazu verwendet, bereits entstandene Schallwellen zu dämpfen oder zu absorbieren, um so die Schallausbreitung zu vermeiden. Sie werden beispiels- weise im Bereich von Schallwänden oder in Räumen eingesetzt, um die dort auftretenden Schallwellen aus anderen Schallquellen zu dämpfen. Schallabsorber werden entsprechend ihrer Funktionsweise in folgende Gruppen unterteilt:
• poröse Absorber
• Resonanzabsorber und
· Kombinationen aus beiden.
Bei porösen Absorbern wird die Schallenergie durch Reibung der Luftmoleküle in Wärme umgewandelt. Die Resonanzabsorber gehören zu den Schallabsorbern und bestehen im wesentlichen aus einer schwingenden Masse und einer Feder. Die auftreffende Schallenergie wird in kinetische Energie der Masse umgewandelt. Beispielsweise ist ein Hohlraum vorgesehen, dessen eingeschlossenes Medium (z.B. Luft) als Feder wirkt. Als Masse kann die den Hohlraum von der Oberfläche trennende Begrenzung dienen oder auch ein sich in einer Verbindungsöffnung befindliches Medium (z.B. Luft). Bei der Erfindung werden die Schallabsorber nicht zu Dämpfung bereits entstandener Schallwellen eingesetzt, sondern vielmehr zur Dämpfung von Oberflächendruckbelastungen, um so eine Erzeugung von Schallwellen durch diese Druckbelastungen unmittelbar an der Schallquelle zu vermeiden. Hierzu kann es wie bei den Schallabsorbern in der Raumakustik sinnvoll sein, die Dämmwirkung auf einen bestimmten Frequenzbereich hin zu optimieren. Z.B. wird ein Schallabsorber vorgesehen, dessen Nenn-Absorptions-Frequenzbereich auf den möglichen Drehzahlbereich des Propellers abgestimmt ist.
Eine gemäß, der Maßnahme a) vorzusehende akustisch effektive Oberflächenkompressibilität kann vorzugsweise im wesentlichen durch folgende alternativ oder kumuliert vorhandene Maßnahmen a1) und/oder a2) und/oder a2) geschaffen werden. Gemäß einer ersten möglichen Maßnahme a1 ) ist zum Schaffen der O- berflächenkompressibilität eine poröse Oberfläche vorgesehen. Auf der Oberfläche auftretende Druckänderungen werden von den Porenöffnungen aufgenommen, wo sich insbesondere Luft und damit komprimierbares Material befindet. Gemäß einer alternativen oder zusätzlich vorgesehenen Maßnahme a2) ist eine Druckkompensationseinrichtung zum Kompensieren von an der Oberfläche oder dem Oberflächenbereich auftretenden Druckveränderungen vorgesehen. Gemäß der Maßnahme a3) ist allgemein ein Schallabsorber vorgesehen. Beispielsweise ist die Oberfläche akustisch weich ausgebildet; in bevorzugter Ausgestaltung weist die Druckkompensationseinrichtung wenigstens einen inneren Hohlraum im Inneren des Propellerblattes auf, der mit der Propellerblatt- Oberfläche druckübertragend und/oder -ausgleichend verbunden ist. Diese Verbindung kann beispielsweise über die Poren-Öffnungen der Maßnahme a1 ) geschehen; es wäre aber alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass das Propellerblatt bereichsweise derart elastisch ausgebildet ist, dass sich Teile der Oberfläche bei Druckänderungen in den Hohlraum hinein ausweichend bewegen können. Beispielsweise könnten zwischen dem Hohlraum und der Oberfläche ver- teilt vorgesehene Membrane ausgebildet sein, die sich bei Druckschwankungen nach innen zu dem Hohlraum oder nach außen zu der Oberfläche wölben.
Vorzugsweise wird die mechanische Steifheit der Propellerblattoberfläche mög- liehst hoch gehalten, um das Flügelprofil des Propellers beizubehalten und damit das Leistungsvermögen des Propellers nicht zu beeinträchtigen. Die dann lediglich akustisch wirksame Oberflächenkompressibilität wird z.B. durch verteilte Poren oder verteilte Bereiche geringerer Steifigkeit, z.B. Membrane oder dergleichen, erreicht, während der verbleibende Großteil der Propellerblattoberfläche steif bleibt.
Der innere Hohlraum kann unterschiedlich ausgebildet sein, es könnte beispielsweise ein einzelner langgestreckter Hohlraum entlang des Vorderkantenbereichs ausgebildet sein. Es kann aber auch eine Vielzahl von inneren Hohlräumen zur Druckkompensation vorgesehen sein. Diese Hohlräume können entsprechend zueinander ausgebildet sein, so dass sie die gleichen aerodynamischen Eigenschaften aufweisen, oder sie könnten je nach Anpassung an die an unterschiedlichen Oberflächenbereichen des Propellerblattes auftretenden möglichen Druckschwankungen aerodynamisch unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder unterschiedlich ausgebildet oder verteilt sein. Auch möglich ist, dass mehrere Hohlräume untereinander in Fluidverbindung stehen. Auch könnten durch Hohlräume Resonanzfrequenzen eingestellt werden, wo Druckschwankungen besonders wirksam gedämpft werden. Die Resonanzfrequenzen könnten je nach Betriebsbedingungen des Propellers (insbesondere Drehzahl) eingestellt werden.
Bezüglich der Porenöffnungen kann vorgesehen sein, dass die Poren-Öffnungen gleich ausgebildet sind oder in der Größe variieren, über einen der Kantenbereiche, insbesondere den Vorderkantenbereich verteilt ausgebildet sind, über die Länge des Propellerblattes verteilt sind, und/oder über die Breite des Propellerblattes verteilt sind.
Besonders bevorzugt ist ein Vorderkantenbereich mit der akustisch effektiv wirk- samen Oberflächenkompressibilität versehen, da in diesem Vorderkantenbereich zunächst die Druckschwankungen auftreten können. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die gesamte Propellerblattoberfläche mit entsprechenden Schallschutzmaßnahmen ausgebildet ist. Die oben genannte Maßnahme b) ist insbesondere für die rückseitige Kante von Propellerblättern des vorne angeordneten Propellers interessant. Durch das Vorsehen von Verzahnungen lassen sich Wirbel hinter dem vorderen Propeller beeinflussen, insbesondere reduzieren. Dadurch lässt sich die Wirbelschleppe des vorderen Propellers beeinflussen, um so die tonalen Komponenten durch den in die- ser Wirbelschleppe drehenden hinteren Propeller zu beeinflussen und zu reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Triebwerk für ein Luftfahrzeug geschaffen mit wenigstens einem in Flugrichtung vorne anzuordnenden vorderen Propeller mit vorderen Propellerblättern und wenigstens einem in Flugrichtung hinter dem vorderen Propeller anzuordnenden hinteren Propeller mit hinteren Propellerblättern, wobei der vordere und der hintere Propeller zur gegenläufigen Drehung ausgebildet sind und wobei wenigstens eines der Propellerblätter eines der beiden Propeller mit einer der oben genannten Maßnahme a) und/oder b) zur Ge- räuschreduzierung versehen ist.
Besonders bevorzugt sind mehrere oder alle der Propellerblätter des vorderen Propellers mit der Verzahnung gemäß Maßnahme b) versehen. Die Maßnahme a) mit der akustisch effektiv wirksamen Oberflächenkompressibilität ist bevorzugt an den Propellerblättern des vorderen Propellers, an den Propellerblättern des hinteren Propellers oder an allen Propellerblättern vorgesehen. Die akustisch effektiv wirksam kompressiblen Oberflächen können an den vorderen Propellerblättern und den hinteren Propellerblättern unterschiedlich ausgebildet sein.
Eine weitere Geräuschminderung lässt sich erzielen durch ein Triebwerk mit wenigstens einem in Flugrichtung vorne anzuordnenden vorderen Propeller mit vorderen Propellerblättern und wenigstens einem in Flugrichtung hinter dem vorderen Propeller anzuordnenden hinteren Propeller mit hinteren Propellerblättern, wobei der vordere und der hintere Propeller zur gegenläufigen Drehung ausgebildet sind, wobei wenigstens ein aerodynamischer Parameter von Propellerblättern wenigstens einer der Propeller in Abhängigkeit von der Relativdrehung und/oder der Relativdrehwinkelposition des vorderen und des hinteren Propellers periodisch veränderbar gesteuert ist.
Ein solches Triebwerk ist vorzugsweise mit wenigstens einem Propellerblatt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 versehen.
Der wenigstens eine aerodynamische Parameter ist vorzugsweise ein Anstellwin- kel oder ein Verdrehwinkel der Propellerblätter. Ein Verdrehwinkel kann beispielsweise elektromechanisch, durch eine hydraulische Ansteuerung, an der Propellerblattwurzel, wo der Propeller an einer Nabe angelenkt ist, und/oder in einem mittleren Bereich des Propellerblattes gesteuert veränderbar sein. Es können Propellerblätter des vorderen Propellers, des hinteren Propellers oder auch sowohl des vorderen als auch des hinteren Propellers entsprechend angesteuert sein.
Durch die Erfindung oder deren vorteilhafte Ausgestaltungen wird eine Verwendung der hohen Lärm erzeugenden, aber wesentlich kosteneffizienteren Antriebskonzepte von CROR-Triebwerken ermöglicht. Die durch derzeit bekannte CROR- Konfigurationen erzeugten Lärmpegel sind klar höher als bei modernen Jet- Flugzeugen. Dies würde sicherlich zu schwerwiegenden Problemen während des Geräuschpegel-Zertifizierungs-Prozesses für den interessanten neuen Flugzeugtyp mit CROR- Vortrieb führen. Die Verwendung der Erfindung erleichtert eine wei- tere Entwicklung solcher neuen Luftfahrzeugtypen.
Der Lärm von CROR-Triebwerken ist höchst störend, was hauptsächlich durch Propellerwechselwirkungstöne verursacht wird. Die Erfindung hat auch Vorteile bei der Verringerung des Innenlärms und verbessert somit den Passagier-Komfort.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt: eine schematische perspektivische Darstellung eines hinteren Bereichs eines Luftfahrzeugs mit einem CROR-Triebwerk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; eine schematische Schnittdarstellung durch ein Propellerblatt eines der Propeller des Triebwerks von Fig. 1 ; eine vergrößerte Teildarstellung aus Fig. 2 mit einem vergrößerten Vorderkantenbereich des Propellerblatts; einen Graph, welcher den Druck an einer Propellerblattoberfläche über die Zeit bei einem üblichen Propellerblatt und bei einem Propellerblatt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; eine vereinfachte schematische Vorderansicht eines Propellers eines Triebwerks zur Verdeutlichung einer weiteren Maßnahme an Propeller- blättern zur Geräuschreduktion bei Triebwerken in der Ausbildung von Fig. 1 ;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung eines ein hinteres Propellerblatt repräsentierenden Flügelprofils mit fünf Teildarstellungen, die unterschiedliche Schritte bei einem weiteren Konzept zur Geräuschreduzierung an Propellerblättern eines Triebwerks gemäß Fig. 1 zeigen und
Fig. 7 eine weitere schematische Vorderansicht eines Triebswerks mit zwei hintereinander angeordneten gegenläufig drehenden Propellern, die das Konzept von Fig. 6 weiter verdeutlicht.
In der Fig. 1 ist ein Triebwerk 10 an einem Luftfahrzeug 12 am Beispiel eines Flugzeuges 14 gezeigt. In der Figur ist nur der Heckbereich 16 des Flugzeuges 14 dargestellt, wo das Triebwerk 10 an einem Triebwerksmast 18 befestigt ist. Das Triebwerk 10 ist als Turboprop-Triebwerk 20 mit einer in einer Nacelle 22 (Triebwerksgehäuse) untergebrachten, nicht näher dargestellten Gasturbine und mehreren offenen Propellern 24, 26 versehen. Beispielsweise sind zwei Propeller, nämlich ein vorderer Propeller 24 und ein hinterer Propeller 26 vorgesehen. Die Pro- peller 24, 26 sind hintereinander um die gleiche Drehachse drehend angeordnet. Die Drehachse ist im Wesentlichen in Reiseflugrichtung 28 des Flugzeuges 14 ausgerichtet.
Der vordere Propeller 24 und der hintere Propeller 26 werden durch die Gasturbi- ne gegenläufig drehend angetrieben. Propellertriebwerke mit mehreren gegenläufig drehenden offenen Propellern werden auch als CROR-Triebwerke 30 bezeichnet. Die Propeller 24, 26 befinden sich bezüglich der Reiseflugrichtung 28 gesehen am hinteren Bereich des Triebwerkes 10 und sind als Schubpropeller ausgebildet.
Der vordere Propeller 24 weist mehrere vordere Propellerblätter 32 auf. Der hinte- re Propeller 26 weist mehrere hintere Propellerblätter 34 auf.
Bei der dargestellten CROR-Konfiguration drehen sich die vorderen Propellerblätter 32 im Flug in der Nachlaufströmung des Triebwerksmastes 8. Dadurch werden die vorderen Propellerblätter 32 je nach Drehwinkelstellung unterschiedlich mit Druck beaufschlagt. Außerdem erzeugt der vordere Propeller 24 eine Wirbelströmung, die sich mit der Nachlaufströmung des Triebwerksmastes 18 hoch vermischt. In diesem komplizierten Strömungsfeld drehen sich die hinteren Propellerblätter 34. Bei herkömmlichen CROR-Triebwerken ergeben sich durch die unterschiedlichen Druckbeaufschlagungen höchst unangenehme Geräuschentwicklungen. Daher sind bei dem hier dargestellten Triebwerk 10 unterschiedliche Propellerblattkonzepte zum Erreichen eines geräuscharmen CROR-getriebenen Luftfahrzeuges 12 vorgesehen, die im Folgenden näher erläutert werden.
Gemäß eines ersten Konzepts wird vorgeschlagen, zumindest einen Teilbereich der Oberfläche von Propellerblättern 32, 34 mit einer akustisch effektiven Oberflächenkompressibilität zu versehen. Zumindest ein Teilbereich der Oberfläche soll akustisch effektiv weicher ausgebildet sein.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eines der Propellerblätter 32, 34. Das Propellerblatt 32, 34 weist einen Propellerblattkörper 36 mit einem Vorderkantenbereich 38 und einem Hinterkantenbereich 40 auf. Bei dem dargestellten Propellerblatt 32, 34 wird im Vorderkantenbereich 38 eine akustisch effektive Oberflächenkompressibilität durch Bereitstellung einer porösen Propellerblattoberfläche 42 und/oder durch eine Druckkompensationseinrichtung 44 zur Reduktion von akustisch wirksamen Oberflächendrucklastvariationen be- reitgestellt.
Zur Reduktion der akustisch wirksamen Oberflächendrucklastvariationen ist wenigstens ein Oberflächenbereich mit einem Schallabsorber 45 versehen. Der Schallabsorber 45 kann als poröser Absorber, als Resonanzabsorber mit Hohl- räum (Helmholtz-Resonator) oder als Kombination der beiden Absorbertypen vorgesehen sein. Bei dem Beispiel der Fig. 2 und 3 ist ein Kombinations- Schallabsorber mit poröser Oberfläche und mit Hohlraum vorgesehen.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung des Vorderkantenbereichs 38. Die Druckkompensationseinrichtung 44 bzw. der Schallabsorber 45 weist einen inneren Hohlraum 46 im Inneren des Propellerblattkörpers 36 auf. Dieser innere Hohlraum 46 ist mit der Oberfläche des Vorderkantenbereichs 38 druckübertragend oder druckausgleichend verbunden. Die poröse Propellerblattoberfläche 42 weist eine Mehrzahl von über die Propellerblattoberfläche verteilten Porenöffnungen 48 auf, die sich von der Propellerblattoberfläche 42 aus in das Innere des Propellerblattkörpers 36 hinein erstrecken. Beispielsweise münden die Porenöffnungen 48 in den Hohlraum 46.
Durch die Ausbildung einer porösen Propellerblattoberfläche 42 lässt sich trotz ausreichender Steifheit der Oberfläche eine akustisch effektiv weiche Oberfläche bilden, denn Druckschwankungen können durch Eindringen in die Porenöffnungen und/oder Druckkompensation in dem Hohlraum 46 ausgeglichen werden. Die Figuren 2 und 3 stellen ein Beispiel für eine poröse Propellerblattoberfläche 42 mit einem Detail von kapillaren Adern 50 dar, die zum Bilden der Poren-Öffnungen 48 über den Bereich der Vorderkante 42 des Propellerblatts 32, 34 verteilt werden. Weiter ist der Hohlraum 46 zum Bewirken eines Druckkompensationseffekts vorgesehen.
Die Wirkung dieser porösen Oberfläche und/oder der Druckkompensation wird im Folgenden anhand der Darstellung in Fig. 4 näher erläutert.
Fig. 4 stellt einen Graph des Druckes p auf die Propellerblattoberfläche über die Zeit t dar. Die durchgezogene Linie 54 stellt die Kurve für eine durchgängige steife Blattoberfläche eines herkömmlichen Propellerblattes dar, während die gestrichelte Linie 56 die Kurve für eine poröse Blattoberfläche darstellt. In Fig. 4 ist das Prin- zip der schwankenden Druckfluktuationen auf das Propellerblatt 32, 34 dargestellt, welches durch die Wechselwirkung zwischen dem vorderen Propeller 24 und dem hinteren Propeller 26 verursacht wird. Die durchgezogene Linie 54 zeigt das Prinzip der Druckfluktuationen in dem Zeitbereich, während die gestrichelte Linie 56 die Druckfluktuationen für das gleiche Propellerblatt 32, 34 und die gleichen Be- triebsbedingungen (Drehzahl, usw.), aber bei Vorhandensein einer porösen Oberfläche und/oder bei Verwendung einer adaptiven Anstellwinkel/Verdrehwinkel- Technologie, wie sie im folgenden noch näher erläutert wird, darstellt. Die Reduktion bei den Druckamplituden p-i und p2 reduziert in direkter Weise die Lärmabstrahlung von jedem Propellerblatt 32, 34, welche Lärmabstrahlung unmittelbar mit den Propellerblatt-Druckfluktuationen einhergeht.
Die gezeigte Reduktion der akustisch effektiven Oberflächendrucklastvariationen (s. Fig. 4) wird bei dem in den Fig. 2 und 3 skizzierten Maßnahmen durch das Bereitstellen einer akustisch effektiven Oberflächenkompressibilität aufgrund von Oberflächenporösität und/oder aufgrund von Druckkompensation erreicht. Dies führt zu einer akustischen Impedanz und einer akustischen Dämmung, kombiniert mit spezifischen Streueffekten der akustischen Energie. Die schwankenden Druckfluktuationen p-ι an einem gewöhnlichen Propellerblatt (wie durch die Linie 54 in Fig. 4 dargestellt) ergibt durch Fourier-Transformation in den Frequenzbereich den damit einhergehenden Geräuschdruckpegel LPii . In analoger Weise ist durch p2 in Fig. 4 bei der gestrichelten Linie 56 das mit schwankenden Druckfluktuationen beaufschlagte poröse Propellerblatt 32, 34 angegeben. Die hier auftretende Druckfluktuation ist aufgrund der Porösitätseffekte nzw. Dämmungseffekte kleiner. Der damit einhergehende Schaltdrucklevel Lp 2 ist ebenfalls tiefer als der Schaltdrucklevel für das Propellerblatt mit der harten Oberfläche.
Mit der beschriebenen Propellerblattkonfiguration wird eine breitbandige und tona- le Geräuschreduzierung durch die Reduzierung der Steifheit oder Stärke der aero- akustischen Quelle erreicht.
Das beschriebene und in den Fig. 2 und 3 gezeigte passive Lärmreduzierungsverfahren ist für Propellerblätter 32, 34 des hinteren Propellers 26 und/oder des vor- deren Propellers 24 der CROR-Konfiguration anwendbar.
Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Konfiguration des Hohlraumes 46 ist nur ein prinzipielles Beispiel. Es kann zwei oder mehre integrierte Hohlräume 46 geben, die sich aerodynamisch entsprechen oder nicht. Die Porosität, d.h. insbesondere die Größe der Poren-Öffnungen 48, kann zu Optimierungszwecken über die Propellerblattoberfläche variieren. Ebenso kann die Dichte der Anordnung der Poren- Öffnungen 48 über die Propellerblattoberfläche variieren. Es kann, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, nur ein Teilbereich der Propellerblattoberfläche porös ausgebildet sein, oder es kann der gesamte Oberflächenbereich des Propellerblattes 32, 34 porös ausgebildet sein. Die Adern 50 können z.B. nicht nur über die Spannweite des Propellerblattes 32, 34 verteilt sein, sondern auch über die gesamte Propellerblattlänge. In Fig. 1 ist als Beispiel für mögliche Konfigurationen bei den Propellerblättern 32 der Vorderkantenbereich 38 mit der porösen Propellerblattoberfläche 42 dargestellt, während bei den hinteren Propellerblättern 34 eine Verteilung der Poren- Öffnungen 48 über die Propellerblattoberfläche dargestellt ist. Im Folgenden wird anhand der Darstellung in Fig. 5 noch ein weiteres Konzept zur Geräuschreduzierung von CROR-Triebwerken 30 der in Fig. 1 dargestellten Art näher erläutert. Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines einfachen vier-blättrigen Propellers 58 mit vier Propellerblättern 60, deren bezüglich der Drehrichtung 62 gesehen hintere Kante 64 mit Verzahnungen 66 versehen sind. Die Anzahl, die Position und Form der einzelnen Zähne 68 hängen von der Geometrie des Propellers 58 und seinen Betriebsbedingungen ab.
Auch dieses zweite Konzept ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines CROR-Triebwerks 30 verwirklicht. Gemäß Fig. 1 sind die vorderen Propel- lerblätter 32 an deren Hinterkantenbereichen 40 mit den Verzahnungen 66 versehen.
Die Verzahnungen 66 an den Hinterkanten 64 der vorderen Propellerblätter 32 reduzieren die Verwirbelung hinter dem vorderen Propeller 24. Dies stellt eine Pri- märmaßnahme zur Reduzierung von Druckfluktuationen bei Auftreffen des reduzierten Wirbelfeldes auf das hintere Propellerblatt 34 dar. Dadurch wird die Intensität der Geräuscherzeugung durch Wechselwirkung reduziert. Im Folgenden wird anhand der Darstellungen in den Figuren 6 und 7 noch ein weiteres Konzept zur Geräuschminderung bei CROR-Triebwerken 30 der in Fig. 1 gezeigten Art näher erläutert. Fig. 6 stellt in verschiedenen Darstellungen a) bis e) schematisch das Prinzip eines adaptiven Verdrehungswinkels/Anstellwinkels dar. Das in den einzelnen Teildarstellungen a) bis e) gezeigte Flügelprofil 70 stellt das hintere Propellerblatt 34 des nachlaufenden hinteren Propellers 26 dar. Gemäß der Teildarstellung a) tritt ein quasi ungestörter einfließender Luftstrom 70 auf das Propellerblatt 34 auf. Die- se ungestörte Lufteinströmung 72 ist optimal für die Propellerleistung. Die Teildarstellung b) stellt die Situation nach einem bestimmten Zeitintervall später dar. Es tritt eine gestörte Lufteinströmung 74 auf; die Richtung der einfließenden Strömung wird aufgrund der Drehung des vorderen Propellers 24 gestört. Dies führt zu einer Verringerung der Propellerleistung und zu einer Erzeugung von Wechselwir- kungsgeräuschen.
In der Teildarstellung c) ist dagegen eine Nachstellung des Verdreh- oder Anstellwinkels des Propellerblattes 34 dargestellt: fast zu der gleichen Zeit wie bei b) wird bei der Teildarstellung c) von Fig. 6 der Angriffswinkel für das Flügelprofil 70 ver- ändert. Die Veränderung des Angriffswinkels wird erreicht durch eine adaptive Anstellwinkelsteuerung oder adaptive Verdrehwinkelsteuerung für die jeweiligen hinteren Propellerblätter 34. Die Richtung der einfließenden Strömung ist bei c) wiederum optimal. Die Teildarstellung d) zeigt die Situation einen Augenblick später als bei der Teildarstellung c). Zwischen der Teildarstellung c) und der Teildarstellung d) haben sich die Propeller 24, 26 weiter in entgegengesetzte Richtungen gedreht, und die einfließende Strömung nimmt erneut den quasi ungestörten Zustand ein; d.h. es gibt wiederum die ungestörte Lufteinströmung 72. Dieser quasi ungestörte Zu- stand ist allerdings nicht mehr optimal für das verstellte Flügelprofil 70. Das Flügelprofil 70 wird daher gemäß der Darstellung e), die der Darstellung von a) entspricht, wiederum in die Ursprungsstellung für diese optimal einfließende ungestörte Lufteinströmung 72 eingestellt. Dieser Zyklus a) bis e) wiederholt sich, wäh- rend sich die Propeller 24, 26 drehen. Die Zeit zwischen den Darstellungen a) bis e) ist die Periode eines Zyklus der Anstellwinkel/Verdrehwinkel-Veränderung.
Fig. 7 zeigt eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung, wie diese Periode eingestellt wird. Fig. 7 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung von zwei sich gegenläufig drehenden Propellern 24, 26 von vorne in Drehachsrichtung gesehen. Der vordere Propeller 24 hat eine Rotationsfrequenz ω-ι , während der hintere Propeller 26 eine Drehfrequenz ω2 hat. Die Drehfrequenzen und ω2 hängen von der Drehzahl rpm (Umdrehungen/Minute) gemäß der Beziehung ω = 2 x π x 60/rpm ab. Φ stellt den Drehwinkel des Propellers 24 und des Propellers 26 bezüglich des festen Koordinatensystems dar. Wenn Φ des Propellerblattes μ bei dem Propeller 26 gleich dem Drehwinkel Φ des Propellerblattes v bei dem Propeller 26 ist, tritt Wechselwirkung auf. Die Zeit, zu der eine Wechselwirkung auftritt - und somit die Zeit, wo eine Anpassung des Anstel!winkels/Verdrehwinkels vorzunehmen ist - hängt im wesentlichen nur von der Anzahl der Propellerblätter 32, 24 jedes Rotors und von dessen Drehzahl rpm ab.
Das Konzept der adaptiven Propellerblattverdrehung geht davon aus, dass das Auftreffen des zweiten Rotors auf die Verwirbelung des ersten Rotors aufgrund dieser Wechselwirkung hohe Druckfluktuationen auf den hinteren Rotorblättern verursacht.
Eine adaptive Propellerblattverdrehung drängt das Propellerblatt 34 des hinteren Propellers 26 in einen aerodynamisch günstigen Winkel, bei welchem das Auftreffen der Verwirbelung des vorderen Propellers 24 auf die Propellerblätter 34 des hinteren Propellers 26 eine minimale aerodynamische Wechselwirkung verursacht. Nachdem das hintere Propellerblatt 34 die Verwirbelung passiert hat, wird der Verdrehwinkel wieder zurück zu seinem normalen Betriebswert gestellt. Der entsprechende Zyklus ist in Fig. 6 dargestellt.
Der Verdrehwinkel kann elektromechanisch oder durch eine Hydraulik verändert werden. Dies kann sowohl an der Wurzel des Propellerblattes als auch in einem mittleren Propellerblattabschnitt geschehen. Fig. 1 zeigt eine Anstellwinkeleinrichtung 76 für die hinteren Propellerblätter 34. Diese Anstellwinkeleinstellung 76 kann zur Einstellung des Anpassungswinkels gemäß Fig. 6 genutzt werden. Dies bedeutet tatsächlich, dass der Propellerblatt-Anstellwinkel für die Zeit, in der das Propellerblatt 34 durch den Wirbel hindurchgeht, geändert wird. Anstellwinkeleinstellungen zur Einstellung des Propellerblatt-Anstellwinkels sind grundsätzlich bereits bekannt und werden hier nicht näher erläutert. Unterschiedlich ist die zeitliche Steuerung dieser Anstellwinkel, die nun z.B. periodisch entsprechend der auftretenden Störungen angepasst werden.
Bei einer Anpassung des Winkels in einem mittleren Propellerblattabschnitt wird ein flexibles Propellerblatt 34 verwendet, um die reale Propellerblattverdrehung zu verändern.
Wie in Fig. 7 dargestellt, wird bei einer vorgegebenen Drehzahl für beide Propeller 24, 26 das Zeitintervall zur Veränderung der Anstellwinkel/Verdrehwinkel durch die Zeiten vorgegeben, zu denen ein vorderes Propellerblatt 32 des vorderen Propel- lers 24 den gleichen Drehwinkel wir ein hinteres Propellerblatt 34 des hinteren Propellers 26 hat.
Fig. 6 verdeutlicht das Beispiel, dass der AnstellwinkelA/erdrehwinkel der hinteren Propellblätter 34 des im Stömungsfeld des vorderen Propellers 24 drehenden hin- teren Propellers 26 an den Wechsel zwischen ungestörter Lufteinströmung 72 und gestörter Lufteinströmung 74 angepasst werden.
Der Anstellwinkel/Verdrehwinkel kann alternativ für den vorderen Propeller 24 an- gepasst werden, was eine reduzierte Verwirbelung und so eine reduzierte Wechselwirkung mit den hinteren Propellerblättern 34 bewirkt.
Die Anpassung des Anstellwinkels/Verdrehwinkels kann auch sowohl für den vorderen Rotor als auch für den hinteren Rotor angewendet werden. Dieser kombi- niert die beiden zuvor beschriebenen Effekte für den vorderen und hinteren Rotor, wobei die Gesamtleistung des CROR-Triebwerks 30 nahezu unverändert bleibt.
Durch die kombinierte oder auch einzelne Anwendung der vorher erwähnten Konzepte wird die Verwendung des hohen Lärm erzeugenden, aber höchst kosteneffi- zienten Antriebskonzepts gegenläufig rotierender offener Rotoren (CROR) ermöglicht. Die durch derzeitige CROR-Konfigurationen erzeugten Geräuschpegel sind klar höher als bei modernen Jet-Flugzeugen. Dies würde sicherlich zu schwerwiegenden Problemen während der Geräuschzertifizierungsprozesse für diesen neuen Flugzeugtyp führen. Verwendet man jedoch die vorgestellten Konzepte, macht dies die weitere Entwicklung dieses neuen und interessanten Flugzeugtypes wesentlich leichter.
Der Lärm von CROR-Triebwerken ist hoch störend, was hauptsächlich durch die Töne der Propellerwechselwirkung verursacht wird. Die vorgestellten Konzepte haben auch Einfluss auf das Innengeräusch des Luftfahrzeuges 12 und sorgen so für einen besseren Passagierkomfort. Bezugszeichenliste
10 Triebwerk
12 Luftfahrzeug
14 Flugzeug
16 Heckbereich
18 Triebwerksmast
20 Turboprop
22 Nacelle
24 vorderer Propeller
26 hinterer Propeller
28 Reiseflugrichtung
30 CROR-Triebwerk
32 vorderes Propellerblatt
34 hinteres Propellerblatt
36 Propellerblattkörper
38 Vorderkantenbereich
40 Hinterkantenbereich
42 poröse Propellerblattoberfläche
44 Druckkompensationseinrichtung
45 Schallabsorber
46 Hohlraum
48 Poren-Öffnungen
50 Adern
52 vordere Kante
54 steife Blattoberfläche
56 poröse Blattoberfläche
58 Propeller
60 Propellerblatt 62 Drehrichtung
64 hintere Kante
66 Verzahnungen
68 Zähne
70 Flügelprofil
72 ungestörte Lufteinströmung
74 gestörte Lufteinströmung
76 Anstellwinkeleinstelleinrichtung
P Druck auf Propelleroberfläche t Zeit

Claims

Patentansprüche
1. Propellerblatt (32, 34) für ein Propeller-Triebwerk (10, 20, 30) mit wenigstens zwei gegenläufig drehenden Propellern (24, 26), wobei das Propellerblatt (32, 34) einen in Drehrichtung (62) vorne anzuordnenden Vorderkantenbereich (38) und einen in Drehrichtung (62) hinten anzuordnenden Hinterkantenbereich (40) hat, gekennzeichnet durch wenigstens eine der folgenden Maßnahmen:
a) dass die gesamte Oberfläche oder wenigstens ein Oberflächenbereich des Propellerblatts (32, 34) eine akustisch effektive Oberflächenkompressibilität und/oder einen Schallabsorber (45) aufweist;
und/oder
b) dass der Hinterkantenbereich (40) eine Verzahnung (66) zur Verringerung von Verwirbelungen hinter dem mit dem Propellerblatt (32) versehenen Propeller (24) aufweist.
2. Propellerblatt nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Schaffen der akustisch effektiven Oberflächenkompressibilität a1 ) wenigstens eine poröse Oberfläche (42) mit ins Innere des Propellerblatts (32, 34) führenden Poren-Öffnungen (48) vorgesehen ist und/oder a2) eine Druckkompensationseinrichtung (44) zum Kompensieren von an der Oberfläche oder dem Oberflächenbereich auftretenden Druckveränderungen vorgesehen ist und/oder
a3) ein Schallabsorber (45) zum Absorbieren und/oder Dämpfen von an der O- berfläche oder dem Oberflächenbereich auftretenden Druckveränderungen vorgesehen ist.
3. Propellerblatt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckkompensationseinrichtung (44) bzw. der Schallabsorber (45) wenigstens einen inneren Hohlraum (46) im Inneren des Propellerblatts (32, 34) aufweist, der mit der Propellerblatt-Oberfläche (42) druckübertragend und/oder druck- ausgleichend verbunden ist.
4. Propellerblatt nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der innere Hohlraum (46) mit der porösen Oberfläche (42) über Poren- Öffnungen (48) in Fluidverbindung steht.
5. Propellerblatt nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei oder mehr Hohlräume (46) zur Druckkompensation vorgesehen sind, vorzugsweise derart, dass die mehreren Hohlräume aerodynamisch einander entsprechen oder unterschiedlich ausgebildet sind.
6. Propellerblatt nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Poren-Öffnungen (48)
• gleich ausgebildet sind oder in der Größe variieren,
• über einen der Kantenbereiche (38, 40), insbesondere den Vorderkantenbereich (38), verteilt ausgebildet sind,
• über die Länge des Propellerblattes (32, 34) verteilt sind,
und/oder
• über die Breite des Propellerblattes (32, 34) verteilt sind.
7. Propellerblatt nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Vorderkantenbereich (38) mit dem eine akustisch effektiv wirkenden O- berflächenkompressibiiität wirkenden Oberflächenbereich und/oder dem Schallabsorber (45) versehen ist.
8. Triebwerk (10, 20, 30) für ein Luftfahrzeug (12) mit wenigstens einem in Reiseflugrichtung (28) vorne anzuordnenden vorderen Propeller (24) mit vorderen Propellerblättern (32) und wenigstens einem in Reiseflugrichtung (28) hinter dem vorderen Propeller (24) anzuordnenden hinteren Propeller (26) mit hinteren Pro- pellerblättern (32), wobei der vordere und der hintere Propeller (24, 26) zur gegenläufigen Drehung ausgebildet sind, wobei wenigstens eines der Propellerblätter (32, 34) nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
9. Triebwerk nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eines, vorzugsweise mehrere, am meisten bevorzugt alle der vorderen Propellerblätter (32) mit der Verzahnung (66) gemäß Maßnahme b) von Anspruch 1 und/oder mit der effektiv akustischen Oberflächenkompressibilät und/oder dem Schallabsorber (45) gemäß Merkmal a) von Anspruch 1 versehen sind.
10. Triebwerk nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eines, vorzugsweise mehrere, am meisten bevorzugt alle der hinteren Propellerblätter (34) mit der effektiv akustischen Oberflächenkompressibilität und/oder dem Schallabsorber (45) gemäß Maßnahme a) von Anspruch 1 ausgebildet sind, vorzugsweise aber nicht mit der Verzahnung (66) gemäß Maßnahme b) von Anspruch 1 ausgebildet sind.
1 1. Triebwerk (10, 20, 30), vorzugsweise nach einem der voranstehenden Ansprüche,
mit wenigstens einem in Reiseflugrichtung (28) vorne anzuordnenden vorderen Propeller (24) mit vorderen Propellerblättern (32) und wenigstens einem in Reise- flugrichtung (28) hinter dem vorderen Propeller (24) anzuordnenden hinteren Propeller (26) mit hinteren Propellerblättern (34), wobei der vordere und der hintere Propeller (24, 26)zur gegenläufigen Drehung ausgebildet sind, wobei wenigstens ein aerodynamischer Parameter von Propellerblättern (32, 34) wenigstens eines der Propeller (24, 26) in Abhängigkeit von der Relativdrehung und/oder der Rela- tivdrehwinkelposition des vorderen und des hinteren Propellers (24, 26) periodisch veränderbar gesteuert ist.
12. Triebwerk nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine aerodynamische Parameter ausgewählt ist aus einer Gruppe von Parametern, die Anstellwinkel und Verdrehwinkel der Propellerblätter (32, 34) aufweist.
13. Triebwerk nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Anstell- oder Verdrehwinkel der Propellerblätter (32, 34)
• elektromechanisch,
• durch eine hydraulische Ansteuerung,
• an der Propellerblattwurzel
und/oder
• in einem mittleren Bereich des Propellerblatts
gesteuert veränderbar ist.
14. Triebwerk nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Propellerblätter (32, 34)
• nur des vorderen Propellers (24)
• nur des hinteren Propellers (26) oder
· sowohl des vorderen als auch des hinteren Propellers (24, 26),
zur periodischen Änderung des wenigstens einen aerodynamischen Parameters angesteuert sind.
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